機械表面粗糙度檢測儀的結構設計ADDINCNKISM.UserStyle摘要金屬零部件是用于各種機械結構中的重要部件，如今隨著設備要求的提高，對于零部件的要求也在提升，尤其是零件的尺寸精度及表面粗糙度，都有更高的要求。表面粗糙度是為零部件的加工表面的細小尺寸差距和不平，通常來說表面粗糙度越小，則表面加工精度越高。本次設計為機械表面粗糙度檢測儀是用于對機械零部件的表面粗糙度進行測量，首先從方案擬定著手設計。其次對檢測儀測量頭采用電機的驅動方式進行前后或者上下往復運動檢測，主要包括對運動參數進行相關的計算和電機型號的選取。以及對復寫裝置機構的設計：復寫壓塊、同步帶、同步帶輪的設計和選取；以及傳動部分復寫絲杠和微調絲杠的計算和設計。關鍵詞：粗糙度測量儀；驅動裝置；復寫裝置；同步帶；絲杠傳動；目錄第1章緒論 動力裝置計算與選型往復測量頭驅動計算3.1.1復寫電機的選型分析復寫機構的運動，其中的復寫墊板對壓塊部分作用力表示為F，其正常工作條件中重量表示為G，分析復寫壓塊機構受理，可做出如下REF_Ref14986\h圖3.1的受力圖：圖3.SEQ圖3.\*ARABIC1復寫壓塊受力分析根據受理平衡的原理分析（3-1）式中：——壓塊摩擦力；——復寫墊板對壓塊部分作用力；——壓塊對于機構的壓力；——微調部件于復寫壓塊機構壓力；其中驅動絲桿于復寫壓塊作用合力跟壓塊摩擦力，的數值跟數值一樣大，力的方向是相反的。（3-2）通過查詢以及借鑒類似機構，可知微調部件于復寫壓塊機構壓力。采取三維模型來預估壓塊重量是。其中復寫壓塊跟復寫板兩者摩擦系數可選取。因此能夠計算壓力數值（3-3）復寫板對復寫壓塊的摩擦力：（3-4）可計算絲桿驅動力數值F（3-5）關于復寫機構的功率計算：（3-6）式中：——電機動力系數，，通常選取——運行速度，單位。，本次取——結構總傳動效率。——同步帶傳動效率。。此處取——絲杠機構傳動效率。。本設計取——其他阻力需增大的功率，由公式（3-6）可以得出：（3-7）因為本設計預選的絲桿是梯形絲杠T8×1.5，螺距，可計算絲桿轉矩估算是：（3-8） 轉矩： （3-9）結合以上的計算數據，本次初步選取的是精研企業制造的YS系列的標準電機，此種電機的規格是90YS40GY38的齒輪軸，圓軸是90YS40DY38，頻率是，輸出功率為，三相的電壓，電流為，額定轉速為，啟動轉矩，額定轉矩為傳動裝置運動和動力參數計算各軸轉速計算公式為：（3-10）式中：——電機滿載轉速；——電機軸到k軸傳動比。傳動比計算根據以上電機選型可以得出電機的輸出功率，電機額定轉速為，由（3-10）可以得出電機的傳動比計算為：選的減速機構傳動比是，輸出轉速為，輸出轉矩為。各軸的輸入功率：（3-13）式中：——第k軸傳動功率；——電機輸出到第k軸總傳動效率；——電機實際輸出功率計算各軸轉矩：（3-14）式中：——電機輸出轉矩。因此可知運動參數如下REF_Ref5332\h表3.1：表3.SEQ表3.\*ARABIC1各軸運動參數軸號功率P/W轉矩T/N.mm轉速n/r/min傳動比i傳動效率電動機軸40294130030.75大帶輪軸3066143310.8絲杠軸2452943311微調驅動的計算原始參數本機構檢測儀中的微調驅動機構采取的是電機的動力方式，本次機構原始參數中，傳遞速度是，壓力為。電機的設計計算分析可知本次的平臺升降的速度可跟此速度相等，因此設計：。在傳遞動作當中，其中的傳動效率可根據整個設備的傳動效率做出計算，電機傳輸與最后的微調絲桿機構，減速器部分傳動箱效率是，絲杠傳動部分傳動效率是，摩擦效率選取的是故能夠算出整體的總傳動效率數值：（3-15）則能夠算出電機輸出功率：（3-16）在結合計算所得功率以及轉速，分析本次擬機構要求，可選取的是一般小感應電機，通過查詢電機資料，本次選取的時代東力電機，單相IK型連續運轉馬達特性表參數要求。根據單相IK型連續運轉馬達特性表的各種電機規格，本次選定的為感應電機，規格5IK90A-C系列感應電機，此電機的功率是，轉速是。減速器的設計選型減速器是用那個與電機中對速度間隙調速，以及減速的需求，本次的電機需要通過減速器線連接，其中電機跟減速器是配套的，故而可以選定動力電機配套的減速器機構，按照之前選取的電機規格90YS40GY38的齒輪軸，圓軸是90YS40DY38，頻率是，輸出功率為，三相的電壓，電流為，額定轉速為，啟動轉矩，額定轉矩為，與電機的減速比和功率，查閱電機資料中減速器部分的數值，有如REF_Ref15450\h表3.2下不同規格的減速器型號可做出選取：表3.SEQ表3.\*ARABIC2減速器的選型列表輸出回數rpm500300200100605030201510650Hz減速比57.5152530507510015025060HzReduclon36918303660901201803006w1.01.62.558.19.7162325252515w2.44.06.0121923395050505025w46.710203239658080808040w6.7111633546510010010010010060w10162448779315520020020020090w14233569110133200200200200200120w19304792147177200200200200200150w224568136200200200200200200200本檢測機構中絲桿傳動設計的是滾珠絲桿，其有效直徑是，導程為根據公式如下（3-17）式中：——絲杠軸轉速r/min——升降的線速度——絲杠導程由公式（3-17）可以得出絲杠軸轉速為：可計算出傳動比是：，故而可選取減速器的傳動比。復寫裝置設計復寫壓塊的設計復寫壓塊在整個設計中占據較為重要的一部分，它是直接來判斷檢測結果的，為了防止壓塊材質過硬導致劃傷復寫紙，在復習紙上留下過于厚重的顏色印記，所以要選用比較輕的木質材料，便于攜帶，主要能夠抗壓、抗彎曲的功能，便是用矩形的形狀來，它不僅接觸的范圍比其它形狀的要寬廣，而且矩形的受力更加均勻，壓塊與復寫紙直接接觸的部位呈弧狀，這樣就能夠測量測粗糙度的結果，還能讓機械不被劃傷，造成測量誤差。復寫壓塊是矩形的立體結構，下部分為弧狀圖形如REF_Ref15636\h圖4.1所示。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1復寫壓塊結構圖復寫絲杠傳動的設計絲桿傳動是通過帶動螺桿旋轉將螺桿的回轉運動轉化為螺母的直線運動，剛性比較好，可以傳遞較大的扭矩，位置準確，頻繁換向時容易產生沖擊振動，由于螺母內部具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠的名稱很多，它主要由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器組成ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[13]。滾珠絲杠是將滑動的方式變為滾動傳動，它具有很小的摩擦阻力，是工具機和精密機械上最長使用的傳動元件。滾珠絲杠有外循環和內循環兩種方式，當滾珠在循環過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環；始終與絲杠保持接觸的稱為內循環，精密研磨級滾珠絲杠一般運用于CNC機械，精密工具機，產業機械，電子機械，輸送機械，航天工業，其它天線使用的制動器、開關裝置等，尤其是微型絲杠副在國內還有很大的發展空間，廣泛應用于各種行業的重型設備和精密儀器。絲桿螺母設計與校核絲桿的螺旋升角及誘導摩擦角（4-1）得。查，摩擦系數，所以絲桿：（4-2）以上，梯形螺紋牙型半角是軸向力的確定按照要求，復寫機構機構的推力是為：按照力合成基本原理，可算得絲桿：（4-3）耐磨性校核絲桿的校核：（4-4）此處，選梯形螺紋工作高度是。設計的是整體的螺母與，因此()；（4-5）查45許用壓強。顯然，有成立，合格。驅動力矩、傳動效率及自鎖性校核對于復寫傳動單線絲桿，。視螺旋副克服摩擦力的力矩為其驅動力矩，即（4-6）傳動效率：（4-7）剛度校核軸向載荷和轉矩作用而產生的螺距累計變化量：（4-8）查REF_Ref6962\h表4.1可知，，精度等級合格。表4.SEQ表4.\*ARABIC1精度等級表精度等級5678910153055110穩定性校核絲桿>>>工作行程+旋合長度，也就是：（4-9）絲桿失穩時刻臨界軸向載荷數值為：其中，支撐狀況選定為兩端固定（即軸向和徑向均存在載荷作用），取支撐系數：綜上，有（4-10）安全系數為83.6，標準的安全為，所以是合格。強度校核根據第四強度理論校核絲桿強度，即桿所受應力：（4-11）查表得45號鋼得許用應力:（4-12）可知，，符合要求。根據以上計算和選型可以絲杠的設計REF_Ref23865\h圖4.2所示圖4.SEQ圖4.\*ARABIC2復寫絲杠上圖復寫絲杠是用來傳遞動力的，中間是呈現螺旋絲狀，復寫滑塊的的前后移動由復寫絲杠來傳動使得，復寫壓塊可以在復寫紙上前后移動，讓傳動更加靈活自動化，減輕行動阻力，運行更為平緩，機械的傳動緊密服帖，材料用45號鋼，許用應力為滿足標準的許用應力準則。復寫絲杠即受到橫向的拉力，又受到縱向的重力，較為容易受到折斷，所以既要計算的剛度準則，強度準則，還有穩定性的要綜合考慮。同步帶的選型在非標記場合中，常用同步帶和絲桿兩種傳動方式，來設計水平或豎直移載機構，俗稱直線模組，兩者分別有自己的區別應用區間。同步帶是一種介于皮帶和鏈條，且性能由于皮帶和鏈條的一種特殊齒形帶，它包含了皮帶、鏈條及齒輪的優點，在輕載情況下，可以代替齒輪來進行傳動，同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差、可獲得恒定的速比，能夠吸震ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[14]。同步帶是傳動系統當中的一種類型，主要是通過帶齒以及帶輪之間的嚙合傳動，來曼度動力的傳遞要求，增加同步帶齒與同步帶輪之間的摩擦系數，同步帶在運行過程中與同步帶輪接觸范圍廣，不易打滑，傳動穩定性比較好，傳動比恒定，同時結構較為緊湊，工作噪音比較低，傳動污染小，且不會出現打滑的情況ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[15]。通常來說同步帶的傳動效率能夠高達98%，其中同步帶的傳動比為1:10，允許可達線速度能夠高達50m/s。如REF_Ref4530\hREF_Ref4530\h圖4.3同步帶傳動所示圖4.SEQ圖4.\*ARABIC3同步帶傳動同步帶的功率一般為可達到幾千瓦左右，傳遞效率高，一般可達到98%，結構緊湊、適用于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環境為惡劣的場所下正常工作。且后期的維護和保養比較簡單，拆換比較方便，價格也較為優惠，維護費用低。對于一般前后的抗寒、抗熱、抗震的性能比較好，因此同步帶的使用范圍比較廣泛。目前被用在汽車，造紙，冶金以及礦山機械設備當中。市場上也多數用同步帶來傳動動力，減少動力的消耗傳播，降低能量損失，提高生產效率ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[16]。在許多現場所產生的影響因素很多，要針對不同的情況來改善所需要的材料器件，同步帶的磨損消耗特別大，既要做到節能環保又要做到質量優秀，所以如何去設計同步帶考慮的方面需謹慎。同步帶做為傳動機構的一部分，是為了更好的使物體在傳輸過程中更加快速、簡潔，用最小的力，最短的時間來傳遞物體，這才是同步帶的最大作用。在市場允許的范疇之內，同步帶帶來的經濟效益比其他傳送帶的效益要高，而且更加劃算，滿足大部分市場需求，國內外都比較常用，需求量大，性能優越，能夠大量生產，材料易得。本次的復寫機構傳動部分也是采取的同步帶的機構，能夠保證結構更為緊湊，以及傳動效率更高，保證運動的穩定性需求，由于本設計功率比較小，查看如REF_Ref15907\h圖4.4所示同步帶的有很多種類型，所以選取XL型，也可以根據實際的工作需求合理的選取不同的類型。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC4同步帶選型圖橫坐標為設計的動力，縱坐標為小帶輪轉速，齒形是根據動力的大小來選擇的，動力越大，轉速就越高，類型也就不一樣。同步帶設計的主要參數同步帶的節線長度在同步帶的工作過程，其中的承載繩中心線的部分，長度在工作當中是不會變動的，因此一般也把中心線稱作是同步帶節線。節線長度的設計在同步帶當中是一個重要的數據參數。通常來說如果傳動中心距的尺寸選定好之后，節線的長度要合理的選取，不可以過大或者是過小，否則會影響到帶齒以及帶輪的工作性能，使得同步帶的產生較大的磨損，造成數據產生誤差，或者使得帶輪打滑，損壞工件器具。降低傳動效率，達不到理想狀態。然而目前同步帶的設計已經具有標準化了，關于節線長度制定了相關的公差數值，同步帶的節線長度要在極限偏差的范圍之內才是標準的選型。如REF_Ref16090\h表4.2為同步帶節線長度的各種類型。表4.SEQ表4.\*ARABIC2同步帶節線長度表帶長代號節線長節線長上的齒數基本尺寸極限偏差LHXH345876.3±0.6692--360914.4±0.66-72-367933.45±0.6698--390990.6±0.6610478-4201066.8±0.7611284-4501143.00±0.7612090-4801219.2±0.7612896-5071289.05±0.81--585101295.4±0.81136102-5401371.6±0.81144108-5601422.4±0.81--645701447.8±0.81-114-6001524.00±0.81160120-帶的節距如REF_Ref16413\h圖4.5示同步帶中兩個臨近遲對應帶位置沿接線量度長尺寸叫做其節距尺寸，此數值關系到同步帶以及帶齒的尺寸數值，當同步帶的節距越大時與之對應的同步帶的尺寸結構越大，因此需要合理確定節距的尺寸。其中梯形齒標準同步帶類型的齒形機構尺寸如下REF_Ref8079\h表4.3.帶型①節距齒形角2β°齒根厚齒高帶高②齒根圓角半徑齒頂圓角半徑MXL2.032401.140.511.140.130.13XXL3.175501.730.161.520.200.30XL5.080502.571.272.30.380.38L9.525404.651.913.60.510.51H12.700406.122.294.31.021.02XH22.2254012.576.3511.21.571.19XXH31.7504019.059.5315.72.291.52表4.SEQ表4.\*ARABIC3帶的齒根寬度同步帶帶齒兩邊的齒根底部的連接點稱為同步帶的齒根寬度，同時是表示為s，齒根的寬度尺寸越大的話，那么能夠具備更好的抗剪切以及抗彎曲的強度，可承載的負載也比較大，相應帶傳送的效率也就更高了，帶的齒根寬度決定了承載的負載，不是說明越寬越好，要有相應的尺寸規定，還要選擇合社的材料，可以應用到各種環境當中，而圖形如REF_Ref16413\h圖4.5就是世界標準化的尺寸，有具體的寬度和高度。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC5表4.4。表4.SEQ表4.\*ARABIC4小帶輪齒數，大帶輪齒數。同步帶輪的設計尺寸圖4.SEQ圖4.\*ARABIC6同步帶輪尺寸圖同步帶輪設計的基本要求對于同步帶輪的設計，不僅要確保帶齒能夠順利進行嚙入以及嚙出要求，速度也要達到一定的速度，也要使輪齒的齒廓線與比較大的接觸面積，可以提升其承載能力，傳動平穩有序，以便能夠降低工作當中嚙合變形的概率[5]。同時還要具備較好的加工性能，降低生產中刀具的磨損，提升制造效率，降低生產的成本。且還要具備合理齒形叫角，使得帶與輪之間緊密接觸，達到傳動效率的最大值，價格實惠耐用，能夠大規模生產，符合人機工程學原理。同步帶輪的設計結果同步帶輪采用直邊齒廓同步帶型，根據同步帶輪尺寸得其三維圖如REF_Ref16710\h圖4.7REF_Ref16710\h。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC7同步帶輪結構微調絲杠傳動的設計確定滾珠絲杠副的導程滾珠絲桿副是傳動機構中精確度比較高的一類設備，使用的比較廣泛，此種機構是通過絲桿跟螺母進行配合運動的設備。特性主要表現為精度高，可以滿足高精度的傳動需求，同時也滿足微進給的運動需求，啟動的力矩非常的小，因此在公布做當中不會出現爬行互動的現象，能夠確保運動進給的微進給的運動要求，同時剛度比較好，不存在側隙。本次擬的微調機構因此通過分析也是選取的滾珠絲桿機構，可以保證微量調節的需求。結合工作需求，本次可選取的是感應電機，此種電機的規格是5IK90A-C。電機的功率是，轉速為。則絲杠導程為：（5-1）實際取，可滿足速度要求。根據合成基本原理計算，可計算出絲桿：（5-2）設計的一共是四個絲桿來完成，因此就可以算出每個絲桿的軸向力數值：（5-3）滾珠絲杠副的載荷及轉速計算滾動導軌承重的過程其滑動摩擦系統值最大是0.004，其中的靜摩擦系數跟摩擦系數基本接近，因此可選取靜摩擦系數是0.006，可計算導軌的靜摩擦力數值：（5-4）式中：——工件與工作臺的質量，計算工約為30kg。——導軌阻力，3個導軌阻力是10N。（5-5）因為本次的機構是為檢測機構，其中的絲桿在工作當中沒有收到其他的切削力數值，因此運動可看做是均勻運動，阻力主要是為導軌跟滑塊部分的摩擦力數值，因此可計算：（5-6）滾珠絲杠副的當量載荷：（5-7）滾珠絲杠副的當量轉速：（5-8）滾珠絲杠副預期額定動載荷按滾珠絲杠副的預期工作時間計算（5-9）式中：——當量轉速，——預期工作時間，測試機構選取的15000小時——負荷系數，平穩沒有沖擊，可選——精度系數，2級精度選擇——可靠性系數，通常為=1（5-10）按滾珠絲杠副的預期運行距離計算（5-11）式中：——預期運行距離，通常為（5-12）按滾珠絲杠副的預加最大軸向負載計算（5-13）式中：——預加負荷系數，輕預載時，選擇=6.7——絲杠副最大載荷由公式（5-13）可以計算出最大軸向負載為：估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量機構的微調運動中重復定位精度需求是，則估算滾珠絲杠副的螺紋底本次機構微調運動行程是，因此能夠算出2固定支撐最大距離：(5-14)根據絲桿是兩端固定安裝的方式，因此可知絲杠螺紋底：式中：——導軌靜摩擦力，——滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，，根據上述公式得出：導程精度的選擇根據微調運動的定位精度要求達到，因此任意長度的導程精度是。確定滾珠絲杠副規格代號按照絲杠、、選擇上銀牌（HIWIN）滾珠絲桿，型號為8-1.5B1，精度等級2級。絲桿基本導程，絲杠底，外，公稱直，額定動載荷，額定靜載荷。電機選擇條件：電機選取的是伺服電機，可根據要求選取的是松下NASA4系列MDMA152P1V型大慣量電機，其功率：，額定轉矩：,電機慣量JM：0.00123Kg.m2，微調運動工件及工作臺質量估計最大值約。外部負荷的轉動慣量絲桿部分的轉動慣量：(5-15)外部負荷的負荷轉動慣量：則有：加在電機上的轉動慣量：外部負荷產生的摩擦扭矩(5-16)式中：——滾珠絲桿副的導程——未預緊的滾珠絲桿副的效率（2級精度=0.9）——外加軸向載荷，含導軌摩擦力由公式（5-16）可以計算出外部負荷產生的摩擦扭矩為：預緊力產生的摩擦扭矩(5-17)式中：——滾珠絲桿副間的預緊力，。由公式（5-16）計算出預緊力產生的摩擦扭矩為：支撐軸承產生的摩擦扭矩分析安裝和受力要求，可選取的是是推力軸承，規格是51100，查詢軸承的樣本資料可知其摩擦力矩。加速度產生的負荷扭矩按照本次機構的工作要求，其中的微調運動運動速度為，對應電機轉速，最大加速度為，則工作臺速度從0升至所需時間：(5-18)當電機轉速從升至時，其負荷扭矩(5-19)電機總扭矩本次通過計算分析以后，選取的電機為感應電機，規格是5IK90A-C系列感應電機，電機的額定扭矩是7.15N.m，大于計算電機總扭矩3倍以上。因此本次選取的電機符合扭矩的要求。圖5.SEQ圖5.\*ARABIC1機械表面粗糙度檢測儀三維圖根據大量的相關零部件的計算與選型，可以得出機械表面粗糙度結構簡單，便于設計，可以多用于在線測量，都是經過反復推敲才得出的準確結果。綜上所述設計結果和選型，本此設計的機械表面粗糙度檢測儀總體設計圖三維結構圖如REF_Ref17341\h圖5.1所示。參考文獻[1]朱祥山.表面粗糙度測量技術與方法研究[J].中國設備工程,2019(23):216-217.[2]沈肇雨,方九金,牟塬,應予釗,陳子寅,陳昌平,王正.表面粗糙度測量方法的研究進展[J].木工機床,2019(01):4-7.[3]張天微.表面粗糙度測量軟件設計[J].工具技術,2018,52(12):141-144.[4]成大先.機